Ссылка на полный текст: "Двигатель" №3 (63) 2009 г. О РАЗРАБОТКЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ "ЭНЕРГИЯ" И О РОЛИ В.П. ГЛУШКО В СОЗДАНИИ ДВИГАТЕЛЯ РД-170 (171)
Навигация:
О чём этот очерк
Программа последовательной разработки ряда космических РН предложенная В.П. Глушко
Замысел мощных ЖРД РД-170 (11Д521) и РД-171 (11Д520) для многоразовой космической транспортной системы (МКТС) 11Ф36 «Энергия-Буран»
Предложение о замене четырехкамерного двигателя 11Д520 четырьмя однокамерными двигателями типа РД-132К (обход проблем снижением мощности ТНА)
Проработка использования четырёх ЖРД 17Д18 для II ступени проектируемого РН 11К37 («Зенит» тяжёлый) вместо одного РД-171 (11Д520)
Связка из четырех ЖРД МД-185 не решила бы проблему возгорания мощного ТНА (параметры генераторного газа близки к аналогичным значениям для РД-170)
Резервный вариант: использовать для МКТС доработанные ЖРД НК-33 (замуровывание склада или уничтожение технического задела - байки)
Глушко В.П.: "Двигатель МД-185 не резерв, а неправильное порочное направление"
На основе РД-170(171) создан ЖРД РД-191 для первой ступени ракет-носителей семейства «Ангара»
В 1980-1982 гг. в ракетно-космической отрасли возникла кризисная ситуация при разработке четырехкамерного двигателя 11Д520 для ракеты-носителя (РН) "Зенит" и многоразовой космической системы (МКС) "Энергия - Буран". Сложность выявившихся проблем породила сомнения у ряда крупнейших специалистов в возможности создания столь мощного двигателя. В связи с этим возникла идея разработки более простого однокамерного модульного двигателя на случай невыполнения директивных сроков создания комплекса "Энергия - Буран". Один из авторов статьи (И.А. Клепиков) был инициатором разработки однокамерного двигателя и руководил его проектированием. Это позволяет взглянуть на события, излагаемые в статье, как бы "изнутри".
В мае 1974 г. руководство страны предложило В.П. Глушко возглавить отечественную космическую программу. Для концентрации научно-технических сил было организовано НПО "Энергия" во главе с директором и генеральным конструктором Глушко. Новый генеральный конструктор пришел с развернутой программой дальнейшего развития отечественной космической техники. Учитывая, что создание ракетного двигателя является наиболее трудоемкой задачей по длительности отработки и экономическим затратам, Глушко предложил программу последовательной разработки ряда космических ракет с постепенным увеличением числа устанавливаемых на первой ступени мощных двигателей. Отработанный на стенде и при летных испытаниях двигатель, по его мысли, мог использоваться с минимальными изменениями на нескольких типах носителей:
ракеты легкого класса должны были комплектоваться одним двигателем; среднего класса - двумя;
тяжелого класса - четырьмя;
сверхтяжелого класса - шестью-восемью двигателями.
Указанное число двигателей на первой ступени хорошо согласуется с накопленными практическими результатами разработки и успешной эксплуатации космических ракет. Так, на первых ступенях отечественных ракет установлено следующее количество двигателей: на РН "Космос-2" - один двигатель, "Космос-3М" - два двигателя, "Циклон" - три двигателя, "Союз" - четыре двигателя, "Протон" - шесть двигателей. На американской РН "Сатурн-5" имелось пять двигателей; на других зарубежных космических ракетах на первой ступени установлены один-два ЖРД и несколько твердотопливных ускорителей. Приведенные данные свидетельствуют о том, насколько ракета Н1 с ее тридцатью двигателями на первой ступени выходит за рамки принятой во всем мире практики проектирования космических ракет.
Базовой конструкцией в предложенном Глушко ряде космических носителей стала ракета тяжелого класса, способная выводить на орбиту полезные грузы до 105 т. Основным вариантом использования этой ракеты являлась многоразовая космическая система "Энергия-Буран" (11Ф36), состоящая из двухступенчатой ракеты "Энергия" (11К25) и космического самолета "Буран".
Высокой надежности системы 11Ф36 предполагали достичь благодаря использованию небольшого числа мощных двигателей РД170 (11Д521). В состав первой ступени 11К25 входили четыре блока А с одним двигателем указанного типа. Подчеркнем, что блок А по конструкции и техническим характеристикам соответствовал первой ступени носителя "Зенит" (11К77) разработки КБ "Южное". Итак, в блоке А ракеты 11К25 и на первой ступени 11К77 имелось по одному ЖРД тягой 740 тс у Земли, соответственно РД-170 (11Д521) и РД-171 (11Д520), с весьма небольшими отличиями в системе качания, что позволяло параллельно разрабатывать двигатель для двух носителей и провести летную отработку двигательной установки первой ступени в составе более простой и дешевой ракеты "Зенит".
Увы, положение с разработкой двигателя 11Д520 во втором квартале 1980 г. было крайне тяжелым. Основные проблемы были изложены в материалах доклада, подготовленного для В.П. Глушко 13 июня 1980 г. (доклад подписан начальником двигательного отдела М.Р. Гнесиным и ведущим конструктором И.А. Клепиковым, утвержден главным конструктором КБЭМ В.П. Радовским и директором завода С.П. Богдановским). В частности, в докладе указывалось, что ТНА мощностью около 250 МВт неоднократно испытывался с 1978 г. в составе "шапок" 6УК (двигатель без камер), за два года было проведено 20 испытаний с суммарной наработкой 107 с, из них 16 завершились авариями.
Экспериментальная отработка узлов и агрегатов двигателя 11Д520 в КБ "Энергомаш" по времени совпадала с подготовкой проектных материалов по предложениям ракетных ОКБ, в частности ОКБ "Южное" и КБ ПО "Полет". Естественно, что при одновременной разработке нескольких двигателей для первых ступеней ракет, работающих на одинаковом топливе, целесообразно максимально использовать принципы унификации. Однако эти параллельно проводившиеся проектные проработки оказали влияние на темпы создания двигателей для РН "Энергия" и "Зенит". В 1978 г. в КБЭМ по техническому заданию ОКБ "Южное" разрабатывались двигатели первой и второй ступеней ракеты 11К37. В состав двигательной установки первой ступени входила связка трех двигателей 11Д520, а по двигателю второй ступени 17Д18 был выпущен эскизный проект, предусматривавший создание однокамерного двигателя на основе камеры двигателя 11Д520 с высотным соплом (ведущий конструктор проекта В.К. Чванов). В октябре 1979 г. по техническому заданию КБ ПО "Полет" в КБЭМ были выпущены технические предложения на разработку двигателя первой ступени для РН 11К55. Однокамерный двигатель РД-132К предполагали создать на базе камеры двигателя 11Д520 (ведущий конструктор проекта М.Р. Гнесин).
Учитывая накопившиеся трудности с отработкой двигателя 11Д520 и тот факт, что удельные характеристики последнего были идентичны характеристиками двигателя РД-132К, начальник двигательного отдела Гнесин в марте 1980 г. направил докладную записку Глушко и Радовскому с предложением о замене четырехкамерного двигателя 11Д520 четырьмя однокамерными двигателями типа РД-132К. Это был "обходной" вариант решения технических проблем, позволявший снизить потребную мощность ТНА до значений, успешно освоенных отраслью при создании других ЖРД, и, таким образом, исключить трудности с отработкой двигателя 11Д520.
Крайне удручающее состояние с отработкой 11Д520 было отлично известно руководству министерства общего машиностроения. Так, 1 апреля 1980 г. состоялось совещание у министра С.А. Афанасьева ...
В решении совещания записали: "…
5. В.П. Радовскому принять меры, исключающие аварии при испытаниях ТНА в составе 6УК, в месячный срок разработать график работ по компоновке, проектированию и выпуску рабочих чертежей ТНА двигателя 17Д18 для II ступени 11К37.
6. Главному конструктору МКС "Буран" И.Н. Садовскому в недельный срок направить в КБЭМ предварительное ТЗ с целью проработки возможности использования двигателя 17Д18 на первой ступени носителя.
7. В.П. Радовскому проработать возможность использования этого двигателя на I ступени изделия 11К77 и в двухмесячный срок выпустить техсправку".
Следует заметить, что это был первый шаг по пути замены четырехкамерного двигателя 11Д520 на четыре однокамерных 17Д18, и сделан он был в решении совещания в министерстве пока еще в форме "проработать возможность" с выпуском техсправки.
30 июня 1980 г. в КБЭМ состоялось совещание с участием министра общего машиностроения и ряда руководителей предприятий министерства. Вначале М.Р. Гнесин и В.П. Радовский доложили о результатах последних испытаний "шапок" 6УК и двигателя и заверили, что причины отказов выявлены, разработаны и внедрены мероприятия в обеспечение надежной работы ТНА уже со следующего испытания. Затем министр предложил заслушать альтернативную позицию и предоставил слово И.А. Клепикову. В своем выступлении тот указал, что излагает позицию авторов справки и, в частности, отметил:
1. Справка выпущена по поручению руководства КБЭМ.
2. Компоновка четырех модулей тягой по 185 тс в хвостовых отсеках 11К25 и 11К77 возможна, но это должен быть новый ЖРД (МД-185). Предлагалось продолжить работы по двигателю 11Д520 в течение года, чтобы в июле 1981 г. принять решение о дальнейшем направлении работ.
3. Для гарантированного успешного испытания двигателя в составе блока А в НИИХМ надо, чтобы состояние отработки позволило бы проведение на трех экземплярах двигателя по три испытания каждого с суммарной наработкой на двигатель 340 с (по правилам, вытекающим из теории надежности и опыта, имеющегося в отрасли). Результаты испытаний 11Д520 и 6УК показывают, что после устранения одного вида отказов появляются новые виды, и по опыту отработок предыдущих двигателей в КБЭМ приходилось проводить на порядок больше испытаний, чем проделано сейчас, при этом устранялось до 98 % отказов, т.е. доводка еще не завершалась, а для выявления оставшихся 2 % приходилось проводить еще десятки испытаний.
4. В 1980 г. коренного перелома в доводке не следует ожидать; перелом возможен через 1,5…2 года, при этом готовность двигателя 11Д520 (521) к установке на ракету может быть не ранее 1984 г. Начать летные испытания РН 11К77 можно будет в 1985 г., а испытания МКС "Энергия" - в 1988 г. (этот прогноз, сделанный автором в 1980 г., оказался верным).
5. Рассматривались два варианта изготовления МД-185: взамен или параллельно с работами по 11Д520 (521). При дополнительном использовании производственных мощностей отрасли (ПО "Полет", Куйбышевского куста заводов, ЮМЗ и др.) это не помешало бы разработке 11Д520 (521).
6. Показана возможность обеспечения готовности МД-185 к поставкам на летные испытания ракет 11К77 в 1984 г., а проведение летных испытаний МКС становилось выполнимым в 1985 г. При этом МД-185 являлся подлинно модульным двигателем, т.к. мог применяться на пяти ступенях четырех различных носителей. Эти утверждения базировались на возможности более высоких темпов испытаний благодаря снижению трудоемкости изготовления двигателя МД-185.
7. Показано, что для МД-185 можно быстрее обеспечить и подтвердить высокую надежность (Рн = 0,997 при ? = 0,95), при этом проще получается система аварийной защиты (САЗ) и обеспечиваются большие возможности выполнения программы полета МКС в случае отказа одного из 16 двигателей первой ступени.
На вопрос министра - "так что, большой двигатель невозможно сделать?" - И.А. Клепиков ответил, что сделать можно любой двигатель, дело в затратах времени и средств. В заявленные сроки - не получится, слишком велики намеченные объемы экспериментальных работ. Далее были выступления М.Р. Гнесина, В.П. Радовского, В.Я. Лихушина, И.Н. Садовского, директора ЦНИИМАШ Ю.А. Мозжорина, заместителя министра Г.М. Табакова, В.П. Глушко и министра С.А. Афанасьева.
Остановимся на выступлении В.П. Глушко. Он, в частности, сказал: "Очевидное - очевидно. "Четвертушку" создать проще, однако это имело бы смысл, если бы разработки начались одновременно. Однако работы по двигателю 11Д520 (521) идут уже несколько лет, и я уверен, что все будет сделано в назначенные сроки. А "четвертушку" отработать ранее 1984 г. не удастся". Далее Глушко обратил внимание на необходимость обеспечения высокой надежности разрабатываемых ракет-носителей. И связал это с количеством устанавливаемых на первой ступени двигателей. Далее он отметил, что “для ракет 11К77, 11К55 и даже для первой ступени 11К37 (12 двигателей) использование "четвертушки" возможно. Но для МКС (16 двигателей) - нет, там нужна особо высокая надежность двигательной установки, получить которую для связки 16 двигателей МД-185 по опыту работ с Н1 практически невозможно”. Глушко заявил, что "главная задача - разработка МКС и 11К77, а 11К55 и 11К37 - подождут". В заключение он добавил, что для большей концентрации усилий по созданию 11Д520 ему придется чаще бывать в Химках, пока дело не наладится.
Не вникая в проблему обеспечения надежности многодвигательных носителей, С.А. Афанасьев со свойственной ему решительностью ухватился за возможность получения резервного варианта двигателя. Вообще у министра был запасной вариант и до предложения о разработке МД-185. О нем он упоминал в узком кругу руководящих работников министерства. Имелись в виду двигатели ОКБ Н.Д. Кузнецова (НК-33), созданные для последнего варианта РН Н1, но так и не испытанные в составе ракеты.
Эти двигатели хранились на складе в Куйбышеве, но об их использовании в составе МКС Афанасьев открыто не упоминал, зная негативное отношение к ним Глушко. Видимо, это был запас на тот крайний случай, если идея создания двигателя 11Д520 будет окончательно дискредитирована.
Ведущие специалисты отрасли, причастные к выбору дальнейшего направления работ, разделились на два лагеря: одни - за создание двигателя МД-185, другие - за продолжение отработки двигателя 11Д520. Побудительные причины были разные, в том числе и связанные с личным отношением В.П. Глушко к высказанной идее.
Наиболее четко отношение двигателистов КБЭМ к рассматриваемому на НТС вопросу изложил Глушко:
"Проблема сегодняшнего НТС: рассмотрение предложения по двигателю МД-185, порождена тем, что у нас тяжело идет доводка двигателя 11Д520 (11Д521). Предлагается помощь в части замены двигателя 11Д521 на четыре двигателя МД-185. Помогает ли это предложение решить задачи? Вопрос надежности. Это главное. На нем рушится суть предложения. Мы явно теряем в надежности, т.к. вместо четырех двигателей 11Д521 должны применяться шестнадцать двигателей МД-185. При этом нужно обеспечить надежность двигателя 0,998. Брать этот коэффициент выше значения 0,995 - авантюра, ничем не подкрепленная. По коэффициенту охвата 0,86 такое же положение. На "Шаттле" пять двигателей, на "Буране" суммарно восемь двигателей, а при применении двигателей МД-185 - двадцать двигателей. Это - аналогия изделия Н1. Такая идеология привела к краху темы. Предлагаемая замена двигателя 11Д521 на двигатели МД-185 приводит к возможному повторению подобной ситуации. При этом основная ответственность ложится на двигателистов, которые должны обеспечить надежность двигателя 0,998. С этим согласиться нельзя.
Двигатель МД-185 не резерв, а неправильное порочное направление. Компоновка двигателей МД-185 в хвостовом отсеке - это спрессованная связка, которая при отказе одного двигателя выводит из строя все. В этом отношении предполагается всю ответственность возложить на двигателистов, которые должны обеспечить систему САЗ. Не следует также забывать предстоящие разработки носителя "Вулкан", на котором планируется установка двенадцати двигателей. При переходе на двигатель МД-185 число таких двигателей возрастает до 36. Применение двигателя МД-185 для изделия 11К77 возможно, но изменяет всю идеологию разработки изделия "Буран", построенную на использовании первой ступени изделия 11К77 как модуля для проверки работы двигателя 11Д520 (521) в летных условиях".
Итоговый вывод Глушко был таков: необходимо сосредоточить все силы на отработке двигателя 11Д520(521), не отвлекаясь на побочные предложения. Естественно, что материалы, полученные при проработке по приказу № 248, планировалось обсудить в Минобщемаше.
Интерес к созданию резервного двигателя постепенно угасал. И это было связано, по-видимому, с тем, что в 1981 г. двигатель 11Д520 начал работать по 30 с и более, а 9 июля 1981 г. впервые проработал без замечаний в течение всего испытания время, равное полетному. После штатного выключения двигателя в пультовой стенда стихийно возник митинг, все обнимались, глаза искрились радостью. Через несколько дней двигатель разобрали для дефектации состояния внутренних деталей. Неожиданно на завод приехал министр. Рассматривая блестевшие после испытания детали многострадального ТНА, министр задумчиво сказал: "Если бы не увидел своими глазами, ни за что бы не поверил".
В.П. Глушко последовательно и твердо выдерживал свою основную линию в создании большого двигателя, мобилизуя разработчиков и ракеты, и двигателя на решение этой задачи, несмотря на напряженность, создаваемую как затянувшейся доводкой, так и руководством Министерства вокруг этой проблемы. Даже располагая серьезными доводами многих специалистов отрасли в пользу модульного двигателя, он брал на себя ответственность и рисковал часто более того, чем это было на его предыдущих разработках, и его профессионализм и уверенность в победе привели в конечном итоге к тому, что двигатель 11Д520 постепенно продвигался к требуемой надежности.
Именно железная воля В.П. Глушко, игнорирующая все возражения оппонентов и сомнения руководства, обеспечила создание этого самого мощного в мире ЖРД. Без В.П. Глушко такой двигатель создать было бы невозможно. Несмотря на то, что "Энергия-Буран" так и не стала серийной, это был большой успех нашего ракетостроения. В.П. Глушко отдал "Энергии" всю свою творческую и жизненную энергию. Он ушел из жизни спустя два месяца после успешного первого пуска МКС "Энергия-Буран". НПО Энергомаш имени В.П. Глушко до сих пор использует его наследие в виде схемных и конструкторских решений, полученных при создании двигателя 11Д520 (РД-171).
Техническая идея "четвертушки" (названной теперь РД-191) ждала своего воплощения около 20 лет. С 2001 г. началась отработка такого двигателя для семейства ракет-носителей "Ангара".